（材料加工工程专业论文）基于de的三维多晶体材料微结构的有限元分析.pdf

硕士学位论文 摘要 随着计算机图形处理技术的进一步发展，有限元分析越来越成为c a d 软件不可或缺的一部分。有限元理论、方法以及相关软件的飞速发展，对 材料微观组织结构的有限元分析提供了强有力的支持。对材料的微观组织 结构进行有限元仿真分析，进而推演以及预测材料的宏观力学及物理性能， 在国外已经是一种通用的做法。 d e f o r m 3 d 是一套基于工艺模拟的有限元系统，专门用于分析各种 金属成形过程中的三维( 3 d ) 流动，提供极有价值的工艺分析数据，以及 有关成形过程中的材料和温度流动。本文完成的主要工作如下： 以大型商用有限元软件d e f r o m 3 d 作为计算平台，成功实现了对 d e f o r m 3 d 的前处理程序进行二次开发，建立了由海量晶粒组成的三维 多晶体材料微结构的具体模型。在材料微观组织结构的“代表性体积单元 ( r y e ) 技术上，利用材料微观组织结构仿真软件p r o d e s i g n ，构造出三维 多晶体材料微结构几何数据的形式。结合本课题组自主开发的计算机软件 a u t o r v e ，在a b a q u s 有限元软件中，建立材料微结构的“代表性体积单 元( r v e ) 的几何模型，划分出有限元计算网格，并生成包含三维多晶体材 料微结构的几何信息及网格信息的i n p u t 文件。结合c 程序语言和p y t h o n 脚本语言的编译对i n p u t 文件进行处理，从而在d e f o r m 3 d 中实现由海量 晶粒组成的三维多晶体材料微结构的模型可视化。 在成功引入三维多晶体材料微结构模型后，分别进行热挤压和热轧制 两项工艺过程的热力耦合模拟，分析讨论了三维多晶体材料的力学响应情 况，演示出了三维多晶体材料微结构的温度场分布、等效应力场分布、等 效应变场分布的变化情况，从而可以更好的预测材料的宏观变形行为和定 量评估材料的性能，研究结果对推演材料可能的微观失效行为具有重要的 现实指导意义。 关键词：三维多晶体材料；代表性体积单元；d e f o r m ；有限元分析；k e y 文件；i n p u t 文件 基于d e f o r m 的三维多晶体材料微结构的有限元分析 皇曼皇曼曼皇曼! 曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼! 鼍! 。 i _ 一一一一i 曼曼曼曼皇! 葛 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rg r a p h i c sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s i s i n c r e a s i n g l yb e c o m i n g a n i n d i s p e n s a b l ep a r t o fc a d s o f t w a r e f i n i t ee l e m e n tt h e o r y , m e t h o d sa n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fr e l a t e d s o f t w a r ep r o v i d et h es t r o n gs u p p o r tt of i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fp o l y c r y s t a l l i n e m a t e r i a l t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ep o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a l ，t h e n i n f e r e n c ea n df o r e c a s tm a t e r i a lm a c r o m e c h a n i c sa n dp h y s i c a l p r o p e r t i e sw e r ea c o m m o np r a c t i c eo na b r o a d d e f o r m - 3 di s af i n i t ee l e m e n t s y s t e m b a s e do nt h e t e c h n o l o g y s y s t e m s ，s p e c i a l i z e di na n a l y s i st h et h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) f l o wo ft h ef o r m i n g p r o c e s sm e t a l ，p r o v i d e de x t r e m e l yv a l u a b l eo fp r o c e s sa n a l y t i c a ld a t a ，a n dt h ef l o wo f t h em a t e r i a l sa n d t e m p e r a t u r ed u r i n gt h ef o r m i n gp r o c e s s i n t h i s p a p e r ，t h e c o m p l e t e dm a j o rw o r kw e r ea sf o l l o w s ： t h es e c o n dd e v e l o p m e n to fp r e p r o c e s s i n gw a sr e a l i z e ds u c c e s s f u l l yb a s e do n t h el a r g ec o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eo fd e f r o m 3 d t h es p e c i f i cm o d e lo f 3 dp o l y c r y s t a l s c o m p o s e db yt h em a s so fg r a i nw a sc o n s t r u c t e d b i u l to nt h e t e c h n o l o g yo f “r e p r e s e n t a t i v ev o l u m ee l e m e n t s ”( r v e ) o f3 dp o l y c r y s t a l s ，t h e g e o m e t r i cd a t ao f3 dp o l y c r y s t a l sw e r ec o n s t r u c t e du s i n gt h em i c r o s t r u c t u r e m a t e r i a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eo fp r o d e s i g n u n d e rt h ep r e m i s eo ft h ec o n s t r u c t e d3 d p o l y c r y s t a l s ，u s i n gt h eg r o u ps d o d e v e l o p e dc o m p u t e rs o f t w a r ea u t o r v e ，e s t a b l i s h e d g e o m e t r i cm o d e lo ft h em i c r o s t r u c t u r eo fp o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a l s s ”r e p r e s e n t a t i v e v o l u m ee l e m e n t ”i nt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eo fa b a q u s ，d r a w e dm e s ha n da n d g e n e r a t e dt h ei n p u tf i l ea b o u tt h e3 dp o l y c r y s t a l st h a tc o n t a i n st h eg e o m e t r i c i n f o r m a t i o na n dg r i di n f o r m a t i o n b yu s i n gm i x i n gp r o g r a m m eo fcp r o g r a m m i n g w i t hp y t h o ns c r i p t i n gl a n g u a g e ，t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fc o m m e r c i a lf i n i t e e l e m e n ts o r w a r ed e f r o m 一3 dp r e p r o c e s s i n gw a si m p l e m e n t e df o rg e o m e t r i c m o d e lb u i l d i n go ft h e3 d p o l y c r y s t a l sc o m p o s e db yt h em a s so fg r a i n c o u p l e dt h e r m o - m e c h a n i c a ls i m u l a t i o no fh o t - u p s e t t i n ga n dh o t r o l l i n gp r o c e s s w e r ed o n ea f t e ri n t r o d u c t i o no ft h e3 dp o l y c r y s t a l ss u c c e s s f u l l y ，t h e na n a l y z e da n d d i s c u s s e dt h em e c h a n i c so ft h e3 dp o l y c r y s t a l s ，a tt h es a m et i m e ，d e m o n s t r a t e dt h e d i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r e ，e q u i v a l e n t s t r e s sa n de q u i v a l e n ts t r a i no ft h e3 d p o l y c r y s t a l s t h e n , w ec o u l db e t t e rp r e d i c tt h em a c r o s c o p i cd e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n d 硕士学位论文 曼鼍曼鼍量! 曼量皇曼曼i i i l i e ；i ； i i 一。m m iii ii i i i l a s s e s st h ep e r f o r m a n c eo fm a t e r i a lo nq u a n t i t a t i v e t h er e s u l t sh a v eg r e a tp r a c t i c a l g u i d i n gs i g n i f i c a n c et oi n f e r e n c eo ft h em i c r o f a i l u r em a t e r i a lb e h a v i o r k e y w o r d s ：3 dp o l y c r y s t a l s ；r e p r e s e n t a t i v ev o l u m ee l e m e n t ；d e f o r m ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ；k e yf i l e ；i n p u tf i l e 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：j f 而m 荔日期：沙夕年。多月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：弓易彬兰 导师签争彳葚砍车 日期：浙绰9 月夕目 日期：口罗年厂月j 9 r 日 i1 硕士学位论文 曼量! 曼曼鼍曼曼皇曼曼曼鼍皇量皇鼍mn i | 一l m m m u 一 一一一一i i 皇曼鼍曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼! 量曼! 曼曼曼曼曼曼鼍曼 第1 章绪论 有限元方法经历了诞生、发展和完善的三个历史时期，已经拥有十分丰 富的方法形态，并且由于其算法过程的通用性，及其对材料组合和几何拓扑 的适应性，己经在相当广泛的领域得到了有效的应用，成为求解各种固体力 学和结构工程问题的最有效的数值计算方法，受到了各行各业众多的科学和 工程计算专家的重视。就有限元方法形态而言，除了最早产生的基于极小势 能原理的位移有限元模式外，还发展了基于余能原理的应力平衡模式，基于 广义势能原理的位移杂交模式和基于广义余能原理的应力杂交模式，基于 h w 混合变分原理的混合有限元模式，以及其它各种各样的特殊有限元方法 形态，例如边界有限元方法，有限条法，无限元法，半解析有限元法等；近 年来又发展了综合有限元，有限条与半解析法于一体的，容许任意曲线剖分 的有限元线法。有限元的飞速发展，为材料微观组织结构的有限元分析提供 了强有力的支持。对材料的微观组织结构进行有限元模拟，进而预测材料的 宏观力学及物理性能，在国外已经是一种通用的做法【l 】。 1 1课题来源 2 0 世纪7 0 年代中期以来，随着计算机运行速度的提高，内外存容量扩大 和图形设备的发展，以及软件技术的进步，计算机模拟技术正以其高效率、 低成本的优势，成为现代科研、设计与制造过程中不可缺少的技术手段，因 此，通过计算机模拟的手段来实现对现代先进材料的设计、制备以及性能的 预测，已成为国内外较普遍的研究方式。目前，工程应用中对材料性能的要 求越来越高，对材料服役条件的要求越来越苛刻，对工程构件服役寿命的估 算也日益严格。一些传统的材料己经不能满足各种极端条件下的需求，因而 要求我们拓展思路、改进方法设计以适用于各种工程环境下作业的先进材料， 并对设计出的新型先进材料的性能进行有效的预测与评估。“材料结构弱点一 及其特性理论概念的提出、发展与完善和利用有限元方法实现材料微结构的 力学响应计算的迅速发展，为利用计算机模拟技术，实现材料微结构计算、 预测材料性能，提供了理论依据和技术手段。 由于商业有限元软件d e f r o m 3 d 只能从宏观尺度上对工件或模具进行 有限元分析，为了能从细观尺度上对工件或模具进行有限元分析，需对 d e f r o m 3 d 的前处理程序进行二次开发，从而引进由海量晶粒组成的多晶 体材料微结构的具体模型。 基于d e f o r m 的三维多晶体材料微结构的有限元分析 1 1 1 数值化的多晶体材料 一直以来，材料领域的工作者为得到优良的材料性能或特殊的材料性能 从工艺制备角度做了大量的工作。然而，在耗费了大量的人力、物力、财力 和较长的时间周期的代价下，所得到的结果往往不能满足我们的需求。我们 知道，不同的材料表现出不同的性能，很大程度上取决于其化学成分、几何 结构、力学界面和拓扑学形貌等，有时几何结构还能起到关键性的作用。材 料领域的工作者通常用不同的化学组分，不同的制备工艺来得到预期的材料 性能，并对其微观组织结构进行研究，结果发现对于大多数材料来说，改变 材料的组织结构，就能改变材料的相关性能。文献【2 】中认为：不论是单相材料 还是复合材料，其基体组织一般是多晶体聚合物，而晶粒的形状、尺寸及晶 体取向等参数对其性能有着重要的影响。文献【3 4 】认为：在材料组织中，无论 金属材料还是非金属材料，晶粒尺寸的均匀性是影响材料性能的一个十分重 要的因素。 实际研究中这样的例子也屡见不鲜，马国斟习在对w - n i f e 合金研究时 发现不同烧结时间的合金组织有很大差别，从而直接影响合金的性能。付连 峰【6 i 在对t i m 基合金屈服强度研究时发现随着全片层合金的微观组织结构参 数如晶粒尺寸d 和片层间距九的改变，从而得到不同的全片层组织，因而屈 服强度也随之改变。刘国权【7 】在研究复合材料时发现颗粒复合材料的力学性能 对其显微组织特别敏感，颗粒复合材料中颗粒的组织结构参数包括粒子形状、 尺寸、位置及空间分布、数量( 体积分数和总颗粒数) 等，这些颗粒的几何 特征参数都会影响到材料的力学性能。李华清f 3 】在研究平面微裂纹扩展时发现 微裂纹的扩展路径与微裂纹前缘各晶粒的几何形状、晶粒的晶体学取向、应 力场强度因子k 值的大小及其各向异性比有关，同时还与微裂纹的大小( 即微 裂纹与晶粒平均尺寸的比值) 有关。 这些研究说明，对材料微观组织结构的研究是材料科学的一个重要领域。 材料的微观组织结构包括：( 1 ) 化学意义的组分；( 2 ) 几何意义的结构；( 3 ) 力学意义的界面；( 4 ) 拓扑学意义的形貌；( 5 ) 物理冶金意义的缺陷。其中 除了组分表现为组织外，其它四项均表现为结构。在改变材料组分或制备工 艺的同时，也伴随着材料结构的改变。 现代科学技术的发展对工程材料的服役性能提出了更高要求。已有的实 践表明，多数工程构件与零部件的失效是在远低于材料的设计性能的情况下 发生的，这导致了材料的服役性能与材料的设计性能之间的脱节，人们对传 统的材料设计方法和手段提出了质疑。人们认识到，在新材料的设计过程中， 不仅要考虑如何满足所要达到的性能，而且必须通过“虚拟失效 ，同步推演 2 硕士学位论文 i s i i i。inm i i 一| 一i 鼍 材料可能的微观失效行为【9 】，以及在微观失效过程中的性能变化，寻求材料可 能的极限服役状态。而对已有高性能材料也必须预设典型的服役环境，推演 其可能的的性能变化与失效行为。设计虚拟材料是研究材料“性能评估的 的前提条件，对推演材料可能的微观失效行为具有现实指导意义。 1 1 2 数值模拟在塑性成形中的应用历史 在信息与计算机时代，像许多其他方面的进步一样，在有限元分析中， 有限元软件亦显示出其特有的优势。有限元分析提供了更快捷和低成本的评 估方式，因此人们越来越多地应用有限元方法代替样品原型的试验。 数值模拟在塑性成形技术中的应用主要基于2 0 世纪8 0 年代发展起来的有 限单元数值计算方法。1 9 8 2 年在美国首次召开了国际工业成形过程数值方法 会议，会上交流的论文绝大多数是关于用有限单元法分析金属塑性加工问题 的【l 们。在1 9 8 0 年代早期，美国b a t e l l e 研究室在美国空军的资助下开发了有限 元程序a l p i d ( a n a l y s i so f l a r g ep l a s t i ci n c r e m e n t a ld e f o r m a t i o n ) 是塑性成形数 值模拟技术的开始。当时该技术只能分析平面问题和轴对称问题，不能划分 网格，也没有考虑非线性问题，但到1 9 8 5 年，美国已经有7 家大公司使用该软 件，随后几年，开发人员将程序逐渐完善，发展成为商品化分析软件d e f o r m ( d e s i g ne n v i r o n m e n tf o rf o r m i n g ) 。后来许多分析软件如：a n s y s ，a b a q u s 和m a r c a u t of o r g e 等也如雨后春笋般出现；国内一些大学和研究机构自行开 发有限元软件，如上海交大开发的s f o r m 、太原重型机械学院开发的t f o r m 等，现如今数值模拟技术已经进入了快速发展时期【1 1 1 。 通过数值模拟，可以回答经验设计时无法回答的问题，了解金属塑性成 形的全过程，包括金属成形过程中各阶段材料的填充情况、材料变形的趋势、 材料内部的应力、应变、应变速率、成形载荷及速度矢量场。这对金属塑性 成形工艺设计、模具设计、金属毛坯的设计、压力机的选择以及成形质量的 控制等具有很大的现实意义。当前塑性成形过程数值模拟在工业发达国家己 经进入实用阶段，如美国三大汽车公司在汽车覆盖件模具设计制造中，都要 求在设计完成后必须经过计算机模拟检验，才能投入试验软模的制造【1 2 l 。 d e f o r m 是一套基于过程模拟系统的面向金属塑性加工及相关行业的有 限元分析软件( f e m ) ，主要用于分析各种金属成形工艺及与之相关的热处理 等辅助工艺。利用该软件模拟制件的塑性加工过程，可以显示加工过程中材 料的流动规律，预测各种成形缺陷的产生，优化模具设计和工艺方案，减少 现场生产试验和修模时间及费用，从而达到减少材料和能源消耗、降低生产 成本、缩短新产品开发周期、提高产品质量的目的1 1 3 1 。 我们知道，应用有限元软件进行结构分析时，一般要经过三个步骤： 基于d e f o r m 的三维多晶体材料微结构的有限元分析 ( 1 ) 模型化过程，建立待分析问题的力学和有限元模型。 ( 2 ) 有限元分析过程，完成单元分析，有限元方程的形成和求解，以及 单元后分析等。 ( 3 ) 解释评价过程，对分析结果进行解释评价。 d e f o r m 软件模块及相应操作流程图如下f 1 4 j ： d e f o i t m 系统 前置处理 工件及模具s t l 或i g s 文件的读取 工件及模具的网格细分及重新生成 工件及模具材料属性的定义 工件及模具间约束关系的确定 工件及模具温度的设定 边界条件的确定 摩擦定义及摩擦系数的确定 模具运动参数的设定 模拟步数、步长等模拟参数的设定 生成k e y 文件及数据d b 文件 模拟计算ii 退出前处理模块，进入模拟计算模块进行模拟 后置处理 损伤分析 应变场分析 应变速率场分析 应力场分析 温度场分析 速度场分析 图1 1d e f r o m 软件模块及相应操作流程图 1 2 本课题的研究目的及意义 人们在长期的实践中认识到，材料的性能并不是一成不变的依赖材料的 化学成分，在很大的程度上还取决于材料的微观组织结构。任何一种材料的 性能都取决于其所具有的结构，而每一种材料的失效，同样取决于材料的微 观组织结构。 4 硕士学位论文 现代材料设计及制备要着重考虑材料的的局部性。局部性也就是 材料的微观组织结构，即组成物的物性、几何状态、晶体学取向状态、非均 性以及多尺度性等。具体地说局部性是指在宏观条件下表现为均匀、各 向同性的多晶体材料，当观察域小到一定的尺度( 如细观尺度) 时，就可能表现 为局部不均匀和各向异性。以各向同性的碳素工具钢为例，晶粒的平均尺度 是微米量级，材料的宏观性能如强度、硬度、弹性性能等指标是各向同性的。 但是在局部区域内，晶粒与晶粒之间就存在取向排列的差异，相对于同一个 宏观坐标的某一方向上，各个晶粒的弹性性能、热膨胀系数等性能参数之间 会存在差异。晶粒之间的几何形状同样会有差异，由于相邻晶粒几何形状的 差异，会导致同样受力条件下局部应力水平的不同。同样，材料在承受外部 载荷时由微裂纹启裂与扩展导致的损伤行为亦与材料的局部微观组织结构密 切相关。以某一种异质体材料为例，其宏观性能响应均为局部响应的某种平 均值，即取决于局部的微观组织结构。局部的微观组织结构决定了局部的材 料的性能响应。正因为如此，由微裂纹启裂与扩展导致的损伤现象均与局部 的力学行为有关，而随着位置变化的局部的力学响应也取决于随着位置变化 的局部的材料性能。换句话说局部材料的微观组织结构决定局部微裂纹的扩 展行为【15 1 。 工程应用中，对材料性能的要求愈来愈高，因此对寿命估测准确程度的 要求也日益严格。如何保证或者说准确预报材料的服役寿命，将成为一个非 常重要的课题。着手建立一套基于材料细观尺度层次的性能预测并以此控制 材料宏观性能，应该是解决这一问题的一个有效途径。在异质体材料的结构 弱点文献中，李旭东教授提到纤维增强金属基复合材料中，在计算微观应力 场分布时，9 个与微观结构相关的参数被定义，他们体现了局部结构的力学和 热学的各向异性。进而建立微观结构取向和几何的数据库，从而初步实现了 计算机设计材料【1 6 1 7 】能够建立材料的微观组织结构与性能之间的关系模型， 用以指导工程实践，并能够最终进行微观破坏行为预测，指导材料的微细观 设计，是我们追求的最终目标，有限元方法就是其中一种非常有效的手段。 国外人们在研究短裂纹以及微孔洞时，将有限元法引入其中，并以 a b a q u s 为计算平台，对短裂纹微孔洞的扩展进行预测。p e t e rm a t i c ， a n d r e w b 等人在细观2 d 尺度上利用元胞自动机技术在a b a q u s 中建模并对 短裂纹的萌芽、扩展及其聚合效应进行进行模拟，研究表明了大范围的破坏 组织可以从简单的模拟结构中获得 1 s , 1 9 】。y a o w uz h a o 等人在晶粒数量有限的 情况下对三维多晶粒微观应力场分布上做了些工作1 2 们。还有就是m a r k ok o v a c 等人提出了跨尺度的模型( 多晶粒总数的最小尺寸) ，对一个压力容器进行了 基于d e f o r m 的三维多晶体材料微结构的有限元分析 微观应力分布的计算，从而在一定程度上预测了整个材料的性能【2 卜2 3 1 。从以 上几个例子来看，引入有限元的方法，分析计算微观组织结构的应力场分布， 已是复合材料发展的热点。然而遗憾的是，在国内关于这方面的报道还很少。 本课题的研究目的是为了在有限元软件d e f o r m 3 d 中引进由海量晶粒 组成的多晶体材料微观组织结构的具体模型，即在d e f o r m 3 d 中实现从宏 观尺度推广到晶粒大小的尺度，解决多晶体材料微观组织结构在细观尺度上 力学响应的分布情况，从而可以更好的预测材料的宏观变形行为和定量评估 材料的性能，并尽可能地为以后的课题研究材料失效的科学依据给出评 估工具，进而比较准确地预测材料的失效问题，给材料的设计提供理论依据。 1 3 本课题的理论基础及已有成果 1 3 1 数字材料理论 纵观全球，当今知识经济走进材料的变革是材料领域发生巨大变革的代 表，而数字材料是知识经济走进材料的生动体现。数字材料的内涵是：以计 算机设计为先导，以材料数据库为代表，以可视化分析为特点，以实时性技 术为目标。主要体现为虚拟设计，虚拟制备，虚拟成型，虚拟失效分析。其 基本技术表述为： ( 1 ) 微观组织结构的数字化图像； ( 2 ) 微观组织结构的计算机仿真； ( 3 ) 微观组织结构的数值化模拟； ( 4 ) 微观组织结构的计算机重构； ( 5 ) 微观组织结构的计算机推演； ( 6 ) 微观组织结构的定量化表征； ( 7 ) 微观组织结构的可视化。 因而，对微观组织结构的定量化表征是其内在要求。 1 3 2 材料微观组织结构的特点 在实际材料分析研究中，适当注意材料显微组织的如下特点是很有必要 的，尤其有助于实验方案设计的系统性和严谨性，以及减少对材料微观组织 结构的误解和不合理分析的可能性。 ( 1 ) 材料显微组织结构的多尺度性：原子与分子层次，位错等晶体缺陷 层次，晶粒显微组织层次，细观组织层次，宏观组织层次等； ( 2 ) 材料显微组织结构的均匀性：形态学均匀性，化学成分的均匀性， 性能的均匀性； 6 硕士学位论文 ( 3 ) 材料显微组织结构的方向性：晶体学择优取向，晶粒形态各向异性， 低倍组织的方向性，性能的方向性； ( 4 ) 材料显微组织结构的多变性：化学成分改变，外界因素及时间变化 引起相变和组织演变等均可能导致材料显微组织结构的变化； ( 5 ) 材料显微组织结构可能具有的分形特性； ( 6 ) 材料显微组织结构的不透明性，以及截面和投影观测的局限性。 ( 7 ) 材料显微组织结构非定量研究的局限性； ( 8 ) 材料显微组织定量形态表征。 对材料的几何形态的定量表征至少包括如下内容：( a ) 拓扑表征( 平均拓 扑量与拓扑分布) ；( b ) 尺寸表征( 平均尺寸与尺寸分布) ；( c ) 形状表征( 形 状分布) ；( d ) 空间分布表征；( e ) 取向表征( 取向分布) ；( f ) 分形表征；( g ) 其它可能表征内容。 1 3 3多晶体材料微观组织结构的可视化技术 材料的微观组织结构通常是三维的，为了使计算机能精确地再现材料微 观组织结构，我们必须能在三维空间对其进行描绘。用v o r o n o i 算法【2 4 】得到仿 真材料微结构的几何信息数据后，能否尽快地理解并运用这些信息将直接影 响对材料微结构研究的成败，所以我们需要用一种最直接的形式来表示这些 信息。 最近几年计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成，这些三维表 现技术使我们能够再现三维世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信 息，这种技术就是可视化技术。可视化技术使人们能够在三维图形世界中直 接对具有形体的信息进行操作和计算机直接交流。o p e n g l 实际上是一种图形 与硬件的接口。它包括了1 2 0 个图形函数，开发者可以用这些函数来建立三 维模型和进行三维实时交互。o p e n g l 强有力的图形函数不要求开发者把三维 物体模型的数据写成固定的数据格式，这样开发者不但可以直接使用自己的 数据，而且可以利用其他不同格式的数据源。这种灵活性极大地节省了开发 者的时间，提高了软件开发效益。 因此，对d e f r o m 3 d 的前处理程序进行二次开发，利用材料微观组织结 构仿真软件p r o d e s i g n l 2 , 2 6 】构造出三维多晶体材料微结构的几何数据形式。在 构造出三维多晶体材料微结构的前提下，利用本课题组自主开发的计算机软 件a u t o g v e ，即可在a b a q u s 有限元软件中，建立材料微结构的“代表性体 积单元 ( r y e ) 的几何模型，并根据几何模型画出有限元计算网格，并生成包 含三维多晶体材料微结构的几何信息及网格信息的i n p u t 文件。通过c 程序语言 f 魂2 9 l j f f i p y t h o n l 3 0 3 1 1 脚本语言的联合编译，实现对d e f o r m 3 d 的前处理程序进 7 基于d e f o r m 的三维多晶体材料微结构的有限元分析 行二次开发，生成由海量晶粒组成的三维多晶体材料微结构的具体模型。 1 3 4 材料微结构模型的力学响应计算 对于三维多晶体材料而言，不仅需要求得模型材料的平均细观力学响应， 而且也需要求得当地微结构的局部细观力学响应。材料微结构细观力学响应 的数值计算建立在材料微观组织结构的“代表性体积单元 ( r v e ) 技术上。 微观组织结构的“代表性体积单元定义在材料的细观尺度上，“代表性体积 单元 其体积尺寸是最小的，但体积单元内却包含了足够多微观组织结构组 成物的几何信息、晶体学取向信息、分布信息与相场信息，并能在统计学意 义上( 统计平均性质) 代表材料微观组织结构的基本特征。由“代表性体积 单元 组成的材料称为统计均匀材料，统计均匀材料受到均匀边界条件的作 用，则介质内的场变量是统计均匀场。 值得指出的是，应该根据材料实际( 或模拟) 的微观组织结构组成物的 几何构造、取向分布与相构，计算材料微观组织结构的“代表性体积单元” 内的细观力学响应以及材料性能。“代表性体积单元”的细观应力的体积平均 响应程度必须与“代表性体积单元边界上所承受的外加载荷程度相一致。 解析式细观力学模型与有限元数值计算将成为计算微结构内细观力学响 应的基本手段。当材料微观组织结构比较复杂时，有限元数值计算成为唯一 的选择。为此，必须合理地建立材料“代表性体积单元、界面条件和边界条 件，以便求解受载荷下“代表性体积单元一中含有夹杂物的边值问题，从而 建立起细观局部场与宏观平均场量间的关系，最终获得材料“代表性体积单 元一的宏观力学响应。有限元模型与解析式模型相比，最大的优点是对于任 意几何形状的增强相夹杂，可以有效地考虑模型中夹杂物之间的相互作用， 从而比较精确地分析它的局部应力场以及它对整个材料的影响。 以有限元方法解读模型材料微观组织结构、预测材料性能响应、分析微结 构失效行为，必需对材料微观组织结构的“代表性体积单元 采用周期性边 界条件。“代表性体积单元尺寸过小，则周期性边界条件无法设定，“代表 性体积单元一尺寸过大，则计算量太大。本文建议采用计算各向同性化代表 性体积的尺寸来代表模型材料微观组织结构“代表性体积单元”尺寸。 1 3 5 现有研究成果 在进行本课题之前，本课题组已经自主开发出与之相关的p r o d e s i g n 、 a u t o r v e 3 2 】等软件，这些软件是本项研究的平台性工具。多晶体材料中的晶 粒都是不规则的多面体结构，因此，首先需要构造出与实际材料相近的微观 组织结构作为模型微结构，软件p r o d e s i g n 就是通过生成二维或者三维v o r o n o i 8 硕士学位论文 m um nimmm n , , 曼曼曼曼鼍曼曼曼! 曼曼鼍詈暑曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼! 曼鼍曼! 曼曼 多晶体晶粒结构图来实现对材料微观组织结构晶粒几何信息的仿真。采用 v o r o n o it e s s e l l a t i o n 的方法生成多晶体材料晶粒微结构的原则为：( 1 ) 在一定 的区域内，随机播撒n 个点，作为晶核也就是形核点；( 2 ) 以形核点为中心 形成多边形。多边形的生成原则是：任意一个多边形中仅有一个晶核点，并 且在该多边形内的任意一点到本多边形晶核点的距离均比到其他晶核点的距 离要短【2 引。 这里需要强调的是，通过v o r o n o it e s s e l l a t i o n 的方法实现的微结构，不仅 包括了晶粒的平面几何形状信息，同时还包括了各晶粒的晶体学取向。这两 种因素共同决定了材料局部微结构的各向异性。微结构的各向异性行为对材 料的各向异性程度及材料局部损伤状态起着关键性的影响。 本课题组自主研发的计算机软件a u t o r v e ，为采用细观力学与微结构力 学进行材料微观组织结构的可视化设计、性能预测与微结构失效分析提供了 有效的数值计算网格划分工具。其主要功能是用于异质体材料微观组织结构 的晶粒生成，实现网格划分的程序化，以及实现异质体材料微观组织结构有 限元计算的参数化。运行结果在a b a q u s 中执行，建立材料微结构的“代表 性体积单元( r w ) 的几何模型，并根据几何模型实现微观组织结构的有限元 网格划分【2 7 1 ，生成包含三维多晶体微结构的几何信息及网格信息的i n p u t 文 件。 1 4 解决关键性问题的技术路线 在现有理论“材料结构弱点 3 3 , 3 4 】及其特性理论，借助商业有限元 软件d e f o r m 3 d 这个计算平台，建立在多晶体材料微观组织结构的“代表 性体积单元 ( r 忱) 技术上，利用本课题组自主开发的材料微观组织结构仿 真软件p r o d e s i g n 构造出三维多晶体材料微结构的代表性体积单元，再利用本 课题组自主开发的计算机软件a u t o r v e ，建立材料微观组织结构的“代表性 体积单元 ( r y e ) 的几何模型，并根据几何模型划分出有限元计算网格，生成 包含有三维多晶体材料微结构的几何信息及网格信息的i n p u t 文件。 进入d e f o 彻3 d 的前处理窗口，导入工件的几何模型，进行网格划分和 定义材料类型，保存生成的k e y 文件；利用c 语言编译生成用户自己的新材 料替换原始k e y 文件中的相对应的材料属性信息；提取i n p u t 文件中的节点与 单元信息替换原始k e y 文件中的节点与单元信息；通过p y t h o n 脚本语言的编 译，对每个晶粒的不同单元赋同一材料属性，生成脚本文件。将生成的文件 添加到原始k e y 文件的单元赋材料属性位置，保存新生成的k e y 文件；进入 d e f o r m 3 d 前处理窗口后，将新生成的k e y 文件导入即可将由海量晶粒组 9 基于d e f o r m 的三维多晶体材料微结构的有限元分析 成的多晶体材料微结构的具体模型可视化，从而实现对d e f r o m 3 d 的前处 理程序进行二次开发，使该软件在细观尺度上建立海量晶粒组成的多晶体材 料微结构的具体模型。 而后进行挤压和轧制工艺过程的热力耦合仿真分析，分析讨论三维多晶 体材料的力学响应情况，演示出了三维多晶体材料微结构的温度场分布、等 效应力场分布、等效应变场分布等，从而可以更好的预测材料的宏观变形行 为和定量评估材料的性能，研究结果对推演材料可能的微观失效行为具有现 实指导意义。 i 利用自主开笈的仿真软件p r o b e s i 乒湘 u t o r i | f e ，建立 l 几何梗型，并划分有f 艮元计算网格，生成i n p u t 文件 i i 进入d e f o r r 3 d 的前处理窗口，导人工件几何梗型- i 进行网格划分并定义材料类型，保存生成的k e y 文件 j l 利用c 语言编译生成用户自己的新材料库 i替换原始k e y 文件中的材料属性信息 j l 提取i n p u t 文件中的节点与单元信息 i替换原始k e y 文件中的节点与单元信息 l 通过p y t h o r d 卸本语言的编译，对每个单元赋材料 属性，生成脚本文件并添加到原始k e y 文件中单元 材料属性位置- 傈存新生成的k e y 文件 l i进入d e f o i 珈- 3 d 前处理窗口，导入新生成的k e y i 文件即可将多晶体材料微结构的具体梗型可视化 图1 2 技术路线 如何实现这些转变是本课题最为核心的问题。 1 0 硕士学位论文 第2 章金属塑性成形过程模拟技术 金属塑性成形是一个极其复杂的过程，它不仅塑性变形量大，而且其成 形过程及产品质量受材料性能、摩擦状况、工艺条件、模具结构及加工设备 等多种因素的共同影响。传统的模具设计和制造过程是以“试错为基本方 法的，需要经过设计、试制、修改设计的多次反复，从而导致模具的制造周 期长、成本高。这种“反复试制直到模具设计合理 是传统塑性加工技术的 重要特征，它使得产品质量靠检验来保证，而不是融入设计、制造的全过程p 5 1 。 所以，对塑性有限元数值模拟技术的要求很高。 除了塑性大变形的非线性特征之外，还涉及边界条件的非线性、模具型 腔的描述、动态接触边界处理、有限元网格重划分、变形与传热的耦合等关 键的技术问题的解决【36 1 。以往人们大多采用比较近似的数值分析方法，如主 应力法、滑移线法、能量法、n s 、h i l l 的一般解法、上限法等等。用以上方 法进行分析求解时需要做出较多的简化和假设，这样就导致分析结果与实际 情况相差较远，在解决稍微复杂些的问题时，无法满足理论分析和工程实际 的需要，目前很少用于金属塑性成形的数值模拟【37 1 。而有限元与其他塑性加 工模拟方法相比，功能最强、精度最高、解决问题的范围最广。它可以采用 不同形状、不同大小和不同类型的单元离散任意形状的变形体，适应与任意 。速度边界条件，可以方便地处理模具形状、工件与模具之间的摩擦、材料的 硬化效应、速度敏感性以及温度等多种工艺因素对塑性加工过程的影响，能 够模拟整个金属成形过程的流动规律，获得变形过程任意时刻的力学信息和 流动信息，如应力场、速度场、温度场以及预测缺陷的形成和扩展【3 引。 2 1塑性加工中的有限元法概述 刚塑性有限元法是由李( c h l e e ) 和小林史郎( s k o b a y a s h i ) 于1 9 7 3 年提 出来的。这种方法忽略了塑性变形中的弹性变形，因此在小变形时，其计算 精度不如弹塑性有限元法。但由于塑性加工问题变形量较大，而弹性变形比 塑性变形小得多，因此采用这种方法仍能得到较好的结果。刚塑性有限元法 采用列维密塞斯( l e v y m i s e s ) 率方程和米席斯( m i s e s ) 屈服准则，求解未 知量为节点位移速度。它通过在离散空间对速度的积分来解决几何非线性， 因而解法相对简单，并且求解效率高，求解精度可以满足工程要求。根据材 料对速率的敏感性，材料模型有刚塑性硬化材料和刚黏塑性材料。刚黏塑性 硬化材料对应的则是刚黏塑性有限元法，它适于热态体积成型工艺，并且可 基于d e f o r m 的三维多品体材料微结构的有限元分析 以进行变形过程中变形与传热的耦合分析。由于忽略了弹性变形，所以刚( 黏) 塑性有限元法不能进行卸载分析，无法得到残余应力、变形及回弹，此外刚 性区的应力计算等亦有一定误差。尽管如此，仍然在塑性加工中得到了广泛 的应用，也成为一些商用软件( 如d e f o r m ) 的核心算法【3 9 】。 2 0 世纪7 0 年代以来，用有限元法模拟分析金属体积成形问题得到很大发 展，主要采用刚塑性和刚粘塑性有限元法。对于变形、温度和传热的耦合问 题还同时采用热传导有限元法或有限差分法等。s k o b a y a s h i 及其合作者先后 采用刚塑性，刚粘塑性有限元法分析了锻造、